爱因斯坦传(27)

二七

　　爱因斯坦首次发现，光速在力学和光学中同等重要。在那儿，光速仿佛是一切过程不可达到的最高临界速度，无论怎样把力施加上去，把能量传送上去，怎么也不可能达到或超越光速，无论给初速度附加多少速度，也是徒劳。根据光速恒定这一事实，引出了相对论的两个著名的“佯谬”，引起人们的广泛重视，也是多少年来激烈争论的焦点所在。陷于因袭的形而上学机械观中不能自拔的那些物理学家、哲学家，都曾经坚决反对过或者无情地嘲讽过相对论的这些“荒诞无稽”的结论。即使那些想沿着爱因斯坦所开辟的崭新道路共同前进的人们当中，也有一部分在相对论上难于跟上爱因斯坦的脚步。

　　其中一个“佯谬”便是快速运动着的一把尺子，它跟静止状态相比，在运动方向上长度缩短了。这个问题是从迈刻尔逊实验结果提出来的，后来形成了洛仑兹的机械收缩假说。爱因斯坦认为，这种收缩可以用两个参考系之间存在着的相对速度来解释。

　　另一个“佯谬”是在快速运动的参考系中的钟，与静止参考系中的钟相比，它走得慢了。这涉及到“时间膨胀”，也叫做时间延伸或时间失真。根据这一佯谬会得出诸如这样的结果：一个乘高速宇宙飞船长时期在太空遨游的人，当他返回地球地面时，与一直留在地球上的他的孪生兄弟相比，他应该年轻得多。这是因为宇宙飞行员的生物钟以及他的一切生理过程，比留在地球上的人要慢得多。但要想使生物钟佯谬和孪生兄弟佯谬产生的效应显现出来的话，宇宙飞船的速度一定要十分接近光速；可是这一条件与现实宇宙飞行的条件相距甚远。

　　只要相对时间膨胀得不到实验证明，激烈的争论就不可能中断。不过在30年代末，从激发氢原子的实验中，无可置疑地证实了时间的相对膨胀。后来，在宇宙线的研究过程中再次明确地得到了证实。由于宇宙线粒子的速度特别大，这一效应的数值也较大。

　　1905年，爱因斯坦的狭义相对论宣判了机械自然观的死刑，这是自然科学史上的一次大变革，也是辩证法在物理学基础中的胜利。它把牛顿经典运动定律中所说的那种关于时间和运动的形而上学的机械观点提高到辩证法的高度。牛顿定律是速度远远小于光速的极限定律。牛顿的形而上学观点方法，尽管是当时所公认的定律，但是由于物理学的发展，碰到了无法逾越的鸿沟。爱因斯坦运用辩证思维的冲击力量摧毁这些障碍，并为物理学的进一步发展开辟了道路。在爱因斯坦以前，虽然有其他一些研究家确实已经采用形式数学的方法解决了运动物体的电动力学问题，然而爱因斯坦的功绩仍是不可低估的。

　　只有个别物理学家能够当即把爱因斯坦的理论看作是一个天才的发现。当时著名的理论家中，普朗克首先称赞爱因斯坦的《论动体电动力学》一文具有划时代的意义。普朗克在一次演讲中说：爱因斯坦时空观的“勇敢精神的确超乎自然科学研究和哲学认识论上至今所取得的一切大胆成果”。确实有不少著名的专家，在很长一段时间里，对爱因斯坦的学说抱怀疑态度，其中尤以实验研究家居多。

　　有意思的是，曾在联邦工业大学任教做过爱因斯坦老师的数学家明可夫斯基，却是相对论的热烈拥护者。当年爱因斯坦经常逃课，明可夫斯基骂他“懒胚”。“懒胚”学生不去上老师的课，老师现在却热心学起学生的论文来。明可夫斯基把自己的助教和学生叫来，他花了好几个小时，给他们讲相对论。他说，真没有想到，爱因斯坦这个小伙子能写出这样深刻的论文。教授顺便也提到了自己的想法。他的想法同样是非常深刻的。那是一种真知灼见，是一种美妙的数学方法。经过明可夫斯基的数学处理，狭义相对论的形式更完美了，而且指明了广义相对论的道路。

　　明可夫斯基的论文在1907年发表。第二年夏天，在科隆举行的“德国自然科学家和医生协会”第80届年会上，他做了一个著名的报告，宣传相对论的思想，题目是“空间和时间”，他说了一段著名的话：“先生们！我要向诸位介绍的空间和时间的观念，是从实验物理学的土壤中生长起来的，这就是它们力量的所在。这些观念是带有革命性的。从现在起，空间自身和时间自身消失在阴影之中了，现实存在的只有空间和时间的统一体。”

　　明可夫斯基的报告引起了巨大反响。可惜3个多月后，疾病就夺去了他年仅44岁的生命。去世前，他万分遗憾地说：“在发展相对论的年代里死掉，真是太可惜了。”

　　由狭义相对论可得出两个重要结论，涉及质量和运动、质量和能量的相互关系。显然，目的就是阐述这些问题的辩证关系。爱因斯坦对这些问题的解决，其意义远远超出狭窄的学术专业范围。

　　在爱因斯坦之前，惯性质量，即物体对运动的惯性阻抗被认为是一个不可改变的量。这符合牛顿形而上学的机械自然观。1895年，奥斯瓦尔德在吕贝克自然科学家大会的报告中还提出质量不变的经典观点。时过不久，1901年实验物理学家在进行高速运动电子的实验时，发现电子的质量随着速度增加而变大。爱因斯坦在他的相对论中也论证了这一事实。

　　只要是运动物体的速度远低于光速，由于运动所引起的质量增加就不明显。因为在经典力学中，物体很大而运动速度很小，质量的增加往往被忽视。相反，在相对力学中，质量的增加起着重要作用。在其后的时期中，原子物理学家们在大型实验设备上，加速了基本粒子。这些实践证明爱因斯坦的学说是正确的。

　　第二个结论的重要意义更为深远，其影响大大超出力学和物理学的范围，对于世界各国人民的命运和人类的未来都十分重要。

　　《论动体电动力学》一文发表后不久，爱因斯坦就在给哈比希特的信中写道：“我还在琢磨有关电动力学研究的结论。根据相对论原理连同麦克斯韦方程的要求，就可以用质量直接度量物体所含的能量；光可以转化为质量。铀元素中必然会产生质量显著减少的现象。这个想法既有趣又富于吸引力。但是我还无法知晓，上帝是对它感到高兴呢；还是在故意捉弄我？”

　　这个“既有趣又富于吸引力”的想法，被爱因斯坦写进前面提过的有关物体惯性同它所含能量的关系的论文里。这篇仅三页的论文是世界自然科学史上最精悍而又成果辉煌的著作。它奠定了质量与能量“等价”原理的基础。

　　爱因斯坦定律的数学公式是举世闻名的：E＝MC2在今天几乎变成成语。它表明能量（E）的转换与相应的质量（m）的转换分不开；而光速（c）的平方是比例系数，表示质量可以转换为能量。这样所谓“质量亏损”也被解释清楚了。在力学、化学、热学和电学过程中，质量亏损太小，一直未被发现。但在原子物理学中它却十分重要，因为原子核的各种组元的质量总是大于由这些组元构成的原子核的质量。有人认为，欠缺的质量转换为能量，这就是将核组元拉在一起所需的“结合能”。原子力是转换成能量的质量，在人工核反应中，这种巨大的能量便被释放出来。

　　爱因斯坦关于质量和能量等价性的发现，简化了物理守恒定律的内容。长期以来，彼此分立的质量守恒和能量守恒定律，现在可以合并为一条定律：对于一个闭合物质系来说，质量和能量的总合在所有过程中不变。

　　所有这些发现的时机的确已经成熟了，无须再要什么重要准备，也无须再获取什么局部成果。在已有的准备工作和成果中，有俄国列别捷夫有关光对固定的压力研究，还有奥地利物理学家哈瑟诺尔的重要探索。然而，爱因斯坦迈出的这一步对这方面的研究则具有决定性作用。

　　※四　苏黎世—布拉格—苏黎世

　　§“俄国佬”教授

　　1908年10月之后不久，爱因斯坦的学术生涯就开始了。

　　在此前两年，已在物理学界崭露头角的爱因斯坦仍生活在平凡的圈子里。

　　每天上午9时准时到达专利局，那不得不捱过去的8小时是全家人的经济来源。下班以后，他还得听妻子愈来愈频繁的絮叨和抱怨，生煤炉，或带着儿子到阿勒河的河滨散步。河水静静地流去，日子单调得令人发狂。已一头撞开物理学新纪元大门的爱因斯坦，面对无法改变的生活现实，也一筹莫展。

　　在相对论几篇论文发表后的日子里，爱因斯坦曾在给索洛文的信中发过这样的牢骚：“……我快到不能动弹、无所建树，似乎到了只能对年轻人的革命精神发发牢骚的年纪了。”

　　上帝太不公平了！

　　不过好事也还是有的。

　　1906年4月1日，爱因斯坦在专利局干了19个月后，终于升了一级，成了联邦专利局的二级技术员，工资也涨到每年4500法郎。哈勒局长相当不错，他按自己的职业眼光欣赏着爱因斯坦的能力，并在给上司的报告中，极力表扬爱因斯坦克尽职守，成绩优异，并说他工作之余坚持学习，获得了博士学位。

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